Odporne na zmianę klimatu systemy hydroenergetyczne

Wytwarzanie energii wodnej z definicji zależy od dostępności wody i w związku z tym wpływ zmiany klimatu na baseny wodne, głównie poprzez dwie (przeciwne) ścieżki. Zmiana klimatu może prowadzić do niedoboru wody, prowadząc do niższych przepływów rzecznych i mniejszej akumulacji wody w tamach, a tym samym do mniejszej ilości wody, która może przepływać przez turbiny lub elektrownie rzeczne w celu wytworzenia energii elektrycznej. Z drugiej strony zmiana klimatu może zwiększyć częstotliwość i intensywność ekstremalnych opadów oraz przyspieszyć topnienie śniegu, prowadząc do zwiększonego ryzyka powodziowego. Niektóre lokalizacje w całej UE będą bardziej narażone na problemy związane z niedoborem wody, a inne na nagłą obfitość wody: zazwyczaj oczekuje się, że susze będą poważnym zagrożeniem w większości regionów z wyjątkiem Europy Północnej, a powodzie, które występują obecnie raz na stulecie, będą częstsze we wszystkich głównych europejskich dorzeczach (EEA, 2016 r.). Oba zjawiska mogą jednak występować w całej Europie, przy zmieniających się częstotliwościach w zmieniającym się klimacie.

Ta zmienność oczekiwanych zmian hydrometeorologicznych w całej Europie jest uzasadnieniem pierwszego wariantu adaptacji omówionego tutaj. W perspektywie przystosowania się do zmiany klimatu kluczowe znaczenie dla przedsiębiorstw eksploatujących elektrownie wodne ma szczegółowe zrozumienie przyszłych warunków, w których każda elektrownia będzie działać. Zmiany klimatyczne spowodują sezonową zmienność obiegu wody, z dłuższymi okresami suchymi, podczas których woda będzie rzadsza niż zwykle, wcześniejsze rozmrażanie śniegu na zboczach górskich w źródłach, a tym samym wcześniejsze występowanie dużych napływów topniejącej wody, a także przyspieszone topnienie lodowców, co spowoduje początkowy wzrost dostępności wody, a następnie pogorszenie dostępności wody. W przypadku braku infrastruktury kontrolującej przepływy w górę rzeki wczesne i bardziej obfite przepływy wiosenne mogą być problematyczne dla elektrowni przepływowych, powodując niedopasowanie między wytwarzaniem energii elektrycznej a popytem.

Wszystkie te zjawiska będą wymagały gruntownego przeglądu w planowaniu działań inżynieryjnych związanych z eksploatacją, konserwacją i ewentualnie uodparnianiem na zmianę klimatu elektrowni wodnych. Ponadto dokładne scenariusze będą miały kluczowe znaczenie dla znalezienia wspólnych rozwiązań dla konkurencyjnych zastosowań w okresach niedoboru wody, pomagając w ocenie rzeczywistych potrzeb i prawdopodobnego harmonogramu zapotrzebowania ze strony różnych użytkowników obok mediów elektrycznych: rolnicy, rybołówstwo, użytkowanie do celów mieszkalnych, transport wodny, rekreacja itp. Pierwszym wariantem adaptacji jest zatem stworzenie scenariuszy klimatycznych i hydrometeorologicznych o wysokiej rozdzielczości dla każdego obszaru zapory i dorzecza, do którego należą, w sposób umożliwiający łatwy dostęp do nich i ich zrozumienie przez zarząd przedsiębiorstw energetycznych i wszystkich innych użytkowników w dorzeczu. W tym celu można opracować konkretne usługi klimatyczne, aby zapewnić dokładne prognozy odpowiednich wskaźników w dostępnym formacie.

W niektórych przypadkach prognozowane warunki klimatyczne mogą sugerować, że przegląd planowanych działań może nie być wystarczający i że dostosowanie infrastruktury może być prawidłowe. Dotyczy to w szczególności sytuacji, w której oczekuje się zwiększonego występowania ekstremalnych opadów atmosferycznych, co skutkuje zwiększonym występowaniem powodzi na terenach zapór. Niekorzystne skutki zalania zapory obejmują przepełnienie, przerwy w dostawie, uszkodzenia sprzętu i niekorzystne skutki w dolnym biegu rzeki. Nagła obfitość wody spowodowana powodzią musi być bezpiecznie odprowadzana w celu zminimalizowania szkód w zakładzie oraz w ekosystemach znajdujących się poniżej, a także w infrastrukturze i działalności człowieka. Ekstremalne opady mogą również powodować skutki hydrometeorologiczne, takie jak osuwiska lub nadmierne zamulanie, co może zmniejszyć objętość dostępną dla wody w zbiorniku lub zatkać system odprowadzania wody.

Istnieje wiele opcji inżynieryjnych, które można zastosować do zarządzania wyciekami zapór, które można zasadniczo pogrupować w rozlewy, systemy bramkowe i wtyki bezpiecznikowe.

Rozlewnie mogą mieć różne kształty konstrukcyjne mające na celu bezpieczne rozpraszanie energii odprowadzanej wody przy jednoczesnym zapewnieniu pożądanych objętości wypływu. Mogą działać automatycznie, gdy woda w zaporze osiągnie określony poziom lub mogą być sprzężone z bramami, które przekierowują przepływ wody do rozlewu. Projektowane kształty obejmują rozlane zsypy, rozlane schodki, rozlane dzwony, rozlane syfony, herby ogee, kanały boczne, rozlane labirynty i jazy klawiszy fortepianowych (PKW). Właściwości techniczne zapory oraz orografia i hydrologia otaczającego obszaru decydują o kompatybilności określonych typów rozlewni z zapleczem: oznacza to, że nie wszystkie systemy rozlewnicze są kompatybilne ze wszystkimi tamami.

Systemy ogrodzone to szereg bram zainstalowanych wzdłuż ściany zapory lub wokół wylewów ujścia dzwonu, które można otworzyć w celu zarządzania poziomem wody w zbiorniku, a w szczególności w celu uwolnienia nadmiernej objętości wody w dolnym biegu rzeki w przypadku zalania. Ponownie mogą być sprzężone z rozlewami, aby bezpiecznie rozproszyć energię kinetyczną odprowadzanej wody. Są one stosowane w wielu istniejących tamach do zarządzania przepływem. Systemy ogrodzone mogą zawieść w przypadku nasycenia z powodu nadmiernego zalania.

Zatyczki bezpiecznikowe są erodowalnymi odcinkami zapory ziemnej, które są przeznaczone do zmywania w określonych z góry warunkach zalania. Zasadniczo działają one jako bufory, które pochłaniają i spowalniają przelew i można je poświęcić, ponieważ koszt ich odbudowy to tylko niewielki ułamek kosztów, które musiałyby zostać utrzymane, gdyby główna tama została uszkodzona. Mogą być instalowane tylko w obecności odpowiednich cech geograficznych i geologicznych terenu oraz zgodnych warunków za nim (np. siodełko w rozsądnej odległości od głównej tamy wzdłuż krawędzi zbiornika w celu odprowadzania nadmiaru wody; solidny fundament skalny dla wtyczki, aby wytrzymać erozję; kanał do bezpiecznego przekierowania przelewu z wtyczki do głównej rzeki w celu ochrony konstrukcji znajdujących się poniżej).

Zazwyczaj instalacja rozlewni i systemów bramowych może odbywać się tylko w fazie budowy zapory, dlatego modernizacja nie jest na ogół opcją. Nie dotyczy to wtyczek bezpiecznikowych i systemów PKW. W studium przypadku Climate-ADAPT dotyczącym zarządzania ryzykiem powodziowym dla francuskich elektrowni wodnych omówiono zalety i wady PKW. PKW mają pewne wyraźne zalety w porównaniu z tradycyjnymi rozlewniami i systemami bramowymi, takie jak wykonalność instalacji jako modernizacji w istniejących tamach, a także fakt, że zapewniają one rozlanie swobodnego przepływu bez ograniczeń przez maksymalne limity wydajności, dzięki czemu są w stanie poradzić sobie z wysokimi poziomami przepływu i pracować w bezpieczniejszych warunkach niż systemy bramowe oraz w całkowicie automatyczny sposób, który nie wymaga interwencji człowieka.

Ekstremalną opcją adaptacji infrastrukturalnej jest zwiększenie mocy zakładu poprzez budowę większych zapór. Może to mieć sens w szczególnych okolicznościach, w których spodziewany jest duży wzrost odpływu wody w najbliższej przyszłości i wystarczająco długi, aby umożliwić odzyskanie kosztów inwestycji. Może tak być w przypadku, gdy spodziewane jest topnienie dużych lodowców, jak w studium przypadku z Islandii. Możliwość zastosowania tego wariantu do UE jest jednak prawdopodobnie bardzo ograniczona ze względu na bardzo różne warunki hydrometeorologiczne i glacjologiczne.

W przypadku usług klimatycznych znaczenie ma zaangażowanie odpowiednich potencjalnych użytkowników w proces współprojektowania usług. W związku z tym zależy to od tego, w jaki sposób usługa jest przeznaczona: jeżeli jest on postrzegany jako narzędzie planowania do ścisłych celów związanych z wytwarzaniem energii wodnej, zaangażowanie zainteresowanych stron może nie być głównym czynnikiem. Jeżeli jednak przyjęta zostanie szersza perspektywa, a usługa ma służyć wszystkim odpowiednim użytkownikom dorzecza, proces współprojektowania doprowadzi do interakcji między przedstawicielami wszystkich odpowiednich kategorii użytkowników. Oczywiście rzeczywista rewizja planowanych działań w świetle spodziewanych skutków zmiany klimatu będzie musiała być jak najbardziej inkluzywna, aby skutecznie zminimalizować przyszłe konflikty.

Budowa nowej infrastruktury, w szczególności rozbudowa zapory, wymaga zaangażowania wszystkich użytkowników dorzeczy oraz osiągnięcia porozumienia między nimi w sprawie praw do korzystania z wody i rekompensat.

Zalety zapewnienia jasnych i gotowych do użycia wskaźników planowania zużycia wody są dość oczywiste, ponieważ efektywne planowanie może opierać się tylko na dokładnych i dobrze zrozumiałych informacjach. Główna kwestia jest tu wspólna dla wszystkich usług związanych z klimatem; ma to związek z trudnościami nieodłącznie związanymi z, z jednej strony, identyfikacją najnowocześniejszych informacji naukowych rzeczywiście istotnych dla działalności użytkowników, a z drugiej strony, pakowaniem takich informacji w taki sposób, aby format i język użyty do ich przedstawienia były nietechniczne i wystarczająco dostępne dla użytkowników nieznających stosowanych dyscyplin naukowych. W tym celu kluczowe znaczenie ma etap współprojektowania.

Adaptacja infrastrukturalna jest w większości przypadków ograniczona przez fakt, że większość systemów rozlewni i bram można zbudować tylko razem z tamą, a zatem są one ważną opcją tylko dla przyszłych projektów hydroenergetycznych. Głównym wyjątkiem jest system PKW, którego elastyczność i stosunkowo niskie koszty omówiono w powiązanym francuskim studium przypadku wraz z jego (podobno niewielkimi) ograniczeniami.

Usługi klimatyczne w zakresie energii wodnej są na ogół dość tanie w porównaniu z inwestycjami infrastrukturalnymi. W niektórych przypadkach odpowiednie dane można uzyskać z projektów, które nie są bezpośrednio realizowane przez przedsiębiorstwa użyteczności publicznej eksploatujące zakłady, na przykład z projektów badawczych na szczeblu UE, które mogą zapewnić (prawie) swobodny dostęp wszystkim odpowiednim użytkownikom w UE. Firmy konsultingowe mogą oferować bardziej dopasowane pakiety po cenach rynkowych, ale można oczekiwać, że przedział cenowy takich kontraktów wyniesie od kilkudziesięciu do stu tysięcy euro. Korzyści z usług klimatycznych sprowadzają się do zminimalizowania przyszłej ekspozycji na ryzyko i konfliktów z innymi użytkownikami wody oraz optymalizacji profilu wytwarzania energii w świetle oczekiwanych zmian w profilach dostępności wody.

Modernizacja infrastruktury w celu kontrolowania nadmiernego przepływu wody może kosztować od kilkuset tysięcy euro (200 000 euro dla PKW, jak podano we francuskim studium przypadku) do kilku milionów euro w zależności od specyfiki zapory, pod względem lokalizacji, struktury i przepływu wody. Głównymi korzyściami są wyraźnie zmniejszenie oczekiwanych szkód w infrastrukturze elektrowni wodnych oraz w infrastrukturze i ekosystemach niższego szczebla, ale także zwiększona zdolność do zarządzania poziomem wody w zbiorniku; w związku z tym modernizacja może zapewnić płynniejsze funkcjonowanie zakładu, co może zwiększyć rentowność. Jeżeli instalacja takiej infrastruktury prowadzi do wyższych średnich ilości wody zmagazynowanej w zbiorniku, może to skutkować wyższą produkcją energii elektrycznej, jeżeli pozwolą na to warunki rynkowe, ale także zwiększoną rolą zbiornika jako bufora, który może poprawić odporność całego dorzecza.

Jedynymi potencjalnie istotnymi aspektami prawnymi są aspekty związane z procesem udzielania zezwoleń na nową infrastrukturę, taką jak nowa infrastruktura zrzutu wody zajmująca wcześniej nieskazitelne części dorzecza i oczywiście budowa większych zapór. Projekty te podlegają krajowym przepisom dotyczącym dopuszczania nowych infrastruktur.

Niektóre usługi klimatyczne istotne również dla planowania elektrowni wodnych i zarządzania nimi są już dostępne w ramach programu Copernicus. Umowy o doradztwo ad hoc zawierane przez pośredników mogą zapewnić odpowiednie wskaźniki klimatyczne w ciągu kilku miesięcy. W przypadku infrastruktury przeciwpowodziowej czas budowy zależy od specyfiki zapory i może wahać się od kilku miesięcy do kilku lat. Do budowy większych zapór potrzeba kilku lat.

Żywotność usług klimatycznych zależy od ciągłej aktualizacji i utrzymania interfejsów użytkownika, baz danych i modeli. W przypadku modernizacji infrastruktury nie ma wyraźnych wskazówek, ale przy odpowiedniej konserwacji można założyć, że będą one trwać tak długo, jak pozostały okres eksploatacji zapory (zazwyczaj kilka dziesięcioleci). Zatyczki bezpiecznikowe z założenia mają być zmywane podczas poważnych powodzi, a ich okresową rekonstrukcję należy uwzględnić przy planowaniu infrastruktury hydroenergetycznej, do której należą. Przewidywany okres eksploatacji nowych zapór wynosi średnio 50 lat, ale po 50 latach mogą one trwać nawet 100 lat, przy rosnących kosztach utrzymania i ryzyku dla stabilności strukturalnej.